BR112013000073B1 - Aparelho e processo para dissipar energia para o gás de exaustão de um motor de combustão interna - Google Patents

Abstract

aparelho e processo para dissipar energia para o gás de exaustão de um motor de combustão interna. um aparelho (200) para dissipar energia para dentro de um exaustor de gás de um motor de combustão interna (100) inclui um recipiente para confinar um percurso de fluxo para gás de exaustão de um motor de combustão interna (100) onde o recipiente possui uma entrada e uma saída. uma malha eletricamente condutora porosa (400) é colocada em um recipiente de forma que o gás de exaustão possa fluir através da malha condutora (400). pelo menos dois terminais elétricos (420) ficam em contato elétrico permanente com a malha condutora (400). uma fonte de energia elétrica (510) completa o circuito elétrico através da malha condutora (400) com a fonte de energia possuindo duas ou mais saídas elétricas eletricamente conectadas a um número igual de terminais elétricos (420) na malha condutora (400). o aparelho (200) provê um filtro, carga elétrica e silenciador.

Description

CAMPO TÉCNICO Referência cruzada a pedidos correlatos

[0001] Este pedido é relacionado e reivindica prioridade do pedido de patente provisório anterior 61/360.655, depositado em 1 de julho de 2010 e pedido provisório US 61/364.862, depositado em 16 de julho de 2010, cujos conteúdos são aqui incorporados por referência.

Fundamentos da invenção

[0002] A presente invenção refere-se a um dispositivo de controle de emissões limpo ou mantido eletricamente e, especificamente, a uma construção de filtro regenerável para remover material particulado (PM) dos gases de exaustão de combustão. Além disso, a presente invenção refere-se a bancos de carga elétrica para Sistemas de Energia Elétrica (EPS).

[0003] Leis e regulamentos ambientais federais e estaduais exigem que certas substâncias prejudiciais, incluindo PM e poluentes gasosos, sejam removidas da exaustão de motores de combustão interna.Estados e localidades também limitam o ruído emitido pelos motores. Para obter a redução exigida de poluição e ruído, os sistemas de exaustão de motores de combustão interna têm que incluir uma série de dispositivos de controle de emissão separados, em adição a um silenciador separado para controlar ruído. Um dispositivo remove PM, outro remove poluentes gasosos e, frequentemente um terceiro dispositivo aquece a exaustão a uma temperatura necessária para os dispositivos de tratamento funcionarem. A necessidade de se usar vários destes dispositivos em combinação adiciona custos e complexidade aos sistemas de tratamento de exaustão necessários para obedecer aos regulamentos ambientais.

[0004] Conjuntos geradores de reserva são um tipo de EPS que frequentemente incorporam motores a diesel e suprem uma carga de serviço normal apenas em emergências que interrompem o suprimento normal de energia elétrica de instalações públicas. Sob condições típicas, não emergenciais, o conjunto gerador de reserva pode ser operado por apenas uma hora a cada mês para testar sua capacidade de dar partida e funcionar sem carga. De acordo com fabricantes de motores, a operação de um motor diesel apenas em cargas menores do que 10% a 50% da carga nominal causa dano ao motor. Para evitar tal dano, operadores de EPS têm que conectar cargas artificiais, conhecidas como bancos de carga, à saída elétrica do EPS, para dissipar pelo menos 10% a 50% da carga nominal.

[0005] EPS é também usado para produzir energia para impulsionar locomotivas diesel-elétricas e outros veículos em aplicações dentro e fora de estrada. Em condições sem carga e de frenagem, os motores elétricos nestas aplicações geram excesso de energia elétrica que precisa ser dissipado de modo seguro para evitar dano por sobreaquecimento aos motores elétricos. Veículos diesel-elétricos têm que ser projetados com bancos de carga para dissipar o excesso de energia.

[0006] Em vista do exposto, há uma demanda por um dispositivo de controle de emissões limpo e/ou mantido eletricamente que possa remover material particulado de gases de exaustão de combustão.

[0007] Há demanda adicional por um dispositivo de controle de emissões que possa carregar suficientemente a saída de um sistema de energia elétrica (EPS) para impedir dano ao motor de EPS durante operação do EPS a baixa ou sem carga de serviço.

[0008] Há outra demanda por um dispositivo de controle de emissões que possa dissipar seguramente excesso de energia elétrica criado por um motor elétrico sob condições sem carga e de frenagem para evitar dano por superaquecimento ao motor elétrico.

Sumário da invenção

[0009] A presente invenção preserva as vantagens dos bancos de carga elétrica da técnica anterior para sistemas de energia elétrica.Adicionalmente provê novas vantagens não encontradas nos bancos de carga elétrica correntemente disponíveis para sistemas de energia elétrica e supera muitas desvantagens desses bancos de carga elétrica correntemente disponíveis para sistemas de energia elétrica.

[0010] A invenção é direcionada, de modo geral, a um aparelho inédito e exclusivo para dissipar energia nos gases de exaustão de um motor de combustão interna e inclui um alojamento para confinar um percurso de fluxo de gases de exaustão de um motor de combustão interna, onde o alojamento tem uma entrada e uma saída. Uma malha porosa, eletricamente condutora, é colocada no alojamento de modo que o gás de exaustão possa fluir através da malha condutora.Pelo menos dois terminais elétricos ficam em contato elétrico permanente com a malha condutora. Um suprimento de energia elétrica completa um circuito elétrico através da malha condutora, com o suprimento de energia tendo duas ou mais saídas elétricas conectadas eletricamente a igual número de terminais elétricos na malha condutora. O aparelho provê um filtro, aquecedor, carga elétrica e silenciador.

[0011] Por conseguinte, é um objetivo da presente invenção prover um dispositivo de controle de emissões que possa remover material particulado de gases de exaustão de combustão.

[0012] Outro objetivo da presente invenção é prover um dispositivo de controle de emissões que possa carregar suficientemente a saída de um sistema de energia elétrica (EPS) para impedir dano ao motor EPS durante operação de EPS sem ou a baixa carga de serviço.

[0013] Outro objetivo ainda da presente invenção é prover um dispositivo de controle de emissões que possa dissipar de modo seguro excesso de energia elétrica criado por um motor elétrico sob condições sem carga e de frenagem para evitar dano por superaquecimento ao motor elétrico.

[0014] Os detalhes de um ou mais modos de realização da invenção estão apresentados nos desenhos anexos e na descrição abaixo. Outras características, objetivos e vantagens da invenção serão aparentes a partir da descrição e desenhos, e das reivindicações.

Descrição resumida dos desenhos

[0015] Os recursos inéditos que são as características da presente invenção estão apresentados nas reivindicações anexas. Entretanto, os modos de realização preferidos da invenção, juntamente com outros objetivos e vantagens pertinentes, serão melhor entendidos pela referência à descrição detalhada a seguir, em conjunto com os desenhos anexos, nos quais: A figura 1 é um diagrama de blocos de sistema de energia elétrica no qual múltiplos dispositivos independentes removem poluentes e silenciam a exaustão; A figura 2 é um diagrama de blocos de um aparelho exemplificativo capaz de simultaneamente filtrar, aquecer e silenciar exaustão enquanto dissipa carga elétrica; A figura 3 é uma vista frontal em perspectiva de um cartucho exemplificativo de acordo com esta versão da presente invenção; A figura 4 é uma vista de topo em perspectiva do cartucho da figura 3, com a parte superior das duas placas finais removidas para fins de ilustração; A figura 4A é uma vista em perspectiva de perto das abas que se estendem através do bloco isolante externo do cartucho da figura 3; A figura 5 é um diagrama de blocos de suprimento de energia elétrica despachado para o cartucho desta versão da presente invenção; A figura 6 é vista em perspectiva frontal de vários cartuchos desta versão da presente invenção arranjados em vários empilhamentos exemplificativos; A figura 7 é uma vista em perspectiva de um empilhamento exemplificativo de cartuchos desta versão da presente invenção; A figura 8 é um diagrama de um circuito em série exemplificativo; A figura 9 é um diagrama de uma configuração de circuito em forma de Y; A figura 10 é um diagrama de uma configuração de circuito delta exemplificativo; e A figura 11 é um diagrama de blocos de uma configuração de sistema exemplificativa que impede a energização de mais de um de dois empilhamentos em um módulo de filtro exemplificativo.

Descrição detalhada do modo de realização preferido

[0016] Com referência à figura 1, a operação normal de um motor de combustão interna exemplificativo 100 cria um gás de exaustão 135 que contém poluentes danosos, incluindo, mas não limitados a material particulado (PM), hidrocarbonetos (HC), óxidos de nitrogênio (NOx), monóxido de carbono (CO), óleos lubrificantes de motor, e combustível não queimado. Para reduzir os perigos do gás de exaustão 135 para a saúde humana, a Agência de Proteção Ambiental do Estado Unidos (EPA) e as agências estatais regulam os poluentes emitidos pelo motor de combustão interna. Para atender às regulamentações ambientais da EPA e das agências estatais, o fabricante ou o operador de um motor de combustão interna 100 pode, por exemplo, ser chamado a instalar um percurso de fluxo da exaustão 106 e um filtro de exaustão 110 para remover o material particulado e um dispositivo de tratamento da exaustão auxiliar 130 para remover os poluentes gasosos do gás de exaustão. Em algumas aplicações, um aquecedor 120 é requerido para assegurar que a temperatura do gás de exaustão 135 seja suficiente para que o dispositivo de tratamento da exaustão auxiliar 130 opere de modo efetivo. Além disto, o percurso do fluxo da exaustão 106 tipicamente inclui um silenciador 107 que reduz o ruído de exaustão. O silenciador 107 e os dispositivos de controle das emissões são conectados em série uns com os outros e ao coletor de escape do motor 100 por segmentos da tubulação metálica da exaustão 105.

[0017] Em um sistema de energia elétrica exemplificativo 115, o motor 100 é um motor a diesel que transfere a energia para um gerador 145 por meio de um acoplamento mecânico 140. O gerador 145, por sua vez, transfere a energia elétrica para uma carga elétrica 155 por meio de um cabo elétrico ou outra conexão elétrica 150. Em uma aplicação típica, o sistema de energia elétrica 115 é um gerador de reserva (“standby”) que provê energia para hospitais, plantas industriais, ou outras instalações críticas no caso do suprimento normal de energia ser interrompido em uma emergência. Quando o gerador de reserva está operando durante uma emergência, a carga elétrica 155 vai compreender todos os equipamentos eletricamente energizados em uma instalação crítica, que tipicamente vai demandar uma grande fração da saída de energia elétrica do gerador.

[0018] A operação de um motor de combustão interna em níveis de cargas abaixo de 10% até 50% não aumenta a temperatura do motor e do gás de exaustão do motor suficientemente para impedir a acumulação de componentes danosos no cárter do motor. Os motores a diesel operados em baixas cargas experimentam uma acumulação de carbono danosa nos componentes internos e a acumulação de combustível não queimado e de óleo lubrificante conhecida como empilhamento úmido. Por estas razões, é necessário prover uma carga elétrica mínima 155 para o sistema de energia elétrica 115 durante todos os modos de operação. Por exemplo, um gerador de reserva deve também ser operado periodicamente, durante condições de não emergência quando ele não está energizando a instalação crítica para testar a sua capacidade de iniciar e suprir energia. Durante tais testes, a carga elétrica 155 tipicamente inclui um banco de cargas elétricas capaz de dissipar para dentro da atmosfera de 10% a 30% da saída da energia avaliada do gerador elétrico de reserva 145. Um banco de cargas elétricas é construído de resistores de lastro de alta energia e ventiladores para forçar o ar depois deles.

[0019] Em outra aplicação típica, o sistema de energia elétrica 115 pode produzir eletricidade para energizar motores elétricos que impulsionam uma locomotiva ou um veículo na estrada ou fora da estrada. Os sistemas de frenagem regenerativos nestas aplicações utilizam os motores elétricos para reduzir a velocidade do veículo pela geração de eletricidade durante a frenagem. O excedente de eletricidade resultante deve ser dissipado com segurança para a atmosfera utilizando um bando de cargas elétricas como a carga elétrica 155. Caso contrário, a eletricidade excedente alimentaria de volta o sistema de energia elétrica e o danificaria.

[0020] Ao mesmo tempo em que o sistema de energia elétrica 115 dissipa o excesso de energia elétrica para o ambiente, ele pode também exigir uma fonte de energia externa 125 para um aquecedor 120 necessário para aumentar a temperatura do gás de exaustão 135 até uma temperatura suficiente para permitir que o dispositivo de tratamento auxiliar da exaustão 130 funcione. Por exemplo, o dispositivo de tratamento auxiliar da exaustão 130 pode se um sistema de Redução Catalítica Seletiva (SCR) que remove do NOx do gás de exaustão 135. Um SCR é totalmente efetivo apenas quando a temperatura da exaustão na sua entrada está entre 250oC e 500oC. O aquecedor 120, tipicamente, aumenta a temperatura do gás de exaustão 135 que flui através dele utilizando uma energia elétrica para aquecer os elementos resistivos no gás de exaustão 135 ou queimando o combustível acrescentado no gás de exaustão 135.

[0021] Desta forma, o sistema de energia elétrica 115, em geral, pode exigir um filtro de exaustão separado 110, um aquecedor 120, tratamento de exaustão auxiliar 130, silenciador 107, e carga elétrica 155 para operar dentro dos requisitos de emissão das legislações federal e estaduais para permitir uma testagem de rotina.

[0022] Com referência à Fig. 2, uma versão da presente invenção 200 é capaz de simultaneamente filtrar, aquecer, e silenciar a exaustão, ao mesmo tempo em que dissipa a carga elétrica no gás de exaustão 135. O aparelho 200, desta forma, combina as funções de múltiplos dispositivos que são necessários para operar e manter um sistema de energia elétrica 210, economizando, desta forma, nos fechamentos muito apertados, reduzindo o consumo de energia, reduzindo a complexidade do sistema e provendo melhorias funcionais.

[0023] Com relação à Fig. 3, um cartucho 300 é um exemplo da presente invenção. O cartucho 300 combina as funções de filtro, aquecedor e silenciador, e um banco de cargas em um pequeno pacote. O cartucho contém o fluxo da exaustão entre duas placas finais anulares 330. O gás de exaustão pode fluir para dentro do cartucho 300 através das perfurações 310, na parede cilíndrica externa 315, que naquele caso forma uma entrada. O gás de exaustão flui em uma direção radial, axial e de azimute dentro do cartucho 300, mas, o fluxo médio total é radial entre a parede externa 315 e a parede interna 325. O gás de exaustão flui para fora do cartucho através das perfurações 319 na parede cilíndrica interna 325, que neste caso forma uma saída. Em algumas aplicações, é vantajoso reverter a direção do gás de exaustão através do cartucho 300.

[0024] As placas finais 330, a parede externa 315 e a parede interna 325 juntas, formam um alojamento de cartucho metálico perfurado substancialmente contínuo 300. O cartucho 300 contém uma malha eletricamente condutora capaz de aquecer e de filtrar a exaustão.

[0025] As placas finais 330, a parede externa 315 e a parede interna 325 são feitas de um material que retém a sua resistência e que resiste à corrosão enquanto aquecido até temperaturas de até 1100 graus Célsius na presença do gás de exaustão. O aço inoxidável e o aço carbono revestido com esmalte são adequados para este propósito. As conexões elétricas externas para a malha condutora contidas no alojamento 300 são realizadas utilizando-se abas de metal resistentes ao calor e à corrosão 340, que podem ser feitas de níquel.

[0026] Com relação à Fig. 4, o cartucho 300, mostrado sem as duas placas finais 330, para fins de ilustração, contém uma malha eletricamente condutora porosa 400 que separa completamente a parede externa 315 da parede interna 325. A malha 400 é solidamente afixada nas suas bordas superior e inferior, ao longo de todo o seu comprimento nas superfícies internas de ambas as placas 330, utilizando-se uma temperatura alta, cimento eletricamente isolante, tal como o cimento resistor elétrico Sauereisen No. P-78 fabricado pela Sauereisen Cement Company. O cimento resistor realiza duas funções, a de prender a malha 400 e de isolá-la eletricamente das placas finais 330. Uma vez que a malha 400 é fixada às e vedada contra as placas finais 330, todo gás de exaustão fluindo através do cartucho 300 a partir da entrada até a saída é forçado a fluir através da malha 400.

[0027] A malha 400 tem que resistir à oxidação, à corrosão, e a outras reações químicas quando aquecida até temperaturas de até 1100 graus Célsius na presença do gás de exaustão aquecido. Os tecidos metálicos trançados e os tecidos de fibras metálicas sinterizados podem, inerentemente, resistir à corrosão em gás de exaustão aquecido e pode ser tratado com revestimentos como o óxido de alumínio para alçar esta resistência. A malha 400 pode, em algumas versões, ter uma espessura de 1mm até 2mm, espessura esta que provê profundidade para aprisionar e manter quantidades maiores de fuligem do que uma malha mais fina. Tipicamente, a malha 400 vai prender 25 gramas de fuligem por m2 de área da malha. Em um exemplo, a malha 400 é feita de um tecido de fibras metálicas sinterizado, conforme descrito na Patente U.S 6.942.708, cujo conteúdo é aqui incorporado por referência.

[0028] A malha exemplificativa 400 é formada de uma longa faixa arranjada em um padrão de serpentina de pregas 440 no cartucho 300 para aumentar a área de superfície total da malha 400 no cartucho 300. As extremidades da malha 400 formam dois terminais elétricos 420 que são eletricamente conectados com abas exemplificativas 340 que se projetam através do bloco de isolamento 450 para prover um meio de conexão elétrica com a malha 400. O bloco de isolamento 450 pode ser feito de mica ou laminado de mica para isolar eletricamente das abas 340 da parede externa 315 e das placas finais 330. Fontes de corrente contínua ou alternada de eletricidade podem ser conectadas com as duas abas 340 do cartucho 300, ou, de modo mais geral, a dois ou mais terminais elétricos 420 da malha 400. Quando uma tensão é aplicada através das abas 340, uma corrente passa através da resistência da malha 400, aquecendo a malha 400 e o gás de exaustão fluindo através do mesmo, dissipando, desta forma, a energia elétrica dentro do gás de exaustão.

[0029] Uma malha exemplificativa 400 feita de tecido de fibras metálicas sinterizado incorpora fibras possuindo diâmetros na faixa de 15 μm até 40 μm, que apresentam uma grande área de superfície para uma dada área de malha. A malha 400, desta forma, provê um coeficiente de transferência de aquecimento alto para a exaustão e uma massa térmica baixa. Como resultado destas propriedades combinadas, a malha 400, quando energizada, aquece o gás de exaustão de modo muito eficiente.

[0030] O tecido de fibras metálicas sinterizado pode ele próprio ser compreendido de uma pluralidade de camadas, sendo cada camada feita de fibras com um diâmetro uniforme. Em cada camada sucessiva, na direção do fluxo da exaustão, o diâmetro das fibras pode ser menor do que o da camada anterior. Esta construção exemplificativa permite que o tecido aprisione eficientemente e remova o material particulado do gás de exaustão utilizando toda a espessura do tecido.

[0031] Em uma versão da presente invenção, a malha 400 pode ser revestida com um catalizador de oxidação incluindo, mas não limitados à platina, vanádio ou paládio. O revestimento com catalizador reduz a temperatura na qual qualquer fuligem aprisionada pelo tecido é oxidada. Em algumas versões da invenção, a temperatura do gás de exaustão, quando aquecida por energia elétrica dissipada pela malha 400 vai ser suficiente para oxidar a fuligem aprisionada na malha 400, limpando, desta forma, a malha 400.

[0032] Em outra versão, a malha 400 pode ser revestida com um catalizador de redução catalítica seletiva (SCR) que remove óxidos de nitrogênio da exaustão. Catalizadores SCR adequados incluem o EnviCat® das Linhas Amarela, Vermelha e Azul, fabricados pela Sud-Chemie. Aquecendo-se eletricamente a malha revestida com catalizador 400, reduz-se o tempo de início do motor até que o substrato SCR alcance a sua temperatura de operação mínima. Tipicamente, os substratos SCR não aquecidos podem exigir de 20 a 60 minutos para aquecimento só da exaustão para alcançar uma temperatura de operação mínima de 250o C.A malha eletricamente aquecida 40 pode alcançar a temperatura de operação em apenas alguns minutos.

[0033] Quando o fluxo da exaustão é a partir da parede externa 315 para a parede interna 325, a pressão da exaustão tende a colapsar as pregas 440 para que as dobras das pregas em um diâmetro externo do cartucho se tornem mais estreitas. Se deixado não checado, o colapso das pregas 440 reduz a área de superfície através da qual o gás de exaustão pode fluir e reduz, também, a resistência elétrica da tira de malha. Um stent exemplificativo 430 é um meio de impedir que a pressão da exaustão deforme a malha 400 e colapse as pregas 440. O stent 430 pode ser feito de um isolante de altas temperaturas, como, por exemplo, perfurado ou de mica sólida, ou de laminado de mica. Outros modos de realização do cartucho 300 podem impedir a deformação da malha 400 utilizando uma estrutura isolante em forma de pente que combine os efeitos de vários stents em uma única peça.

[0034] O cartucho 300 pode ser fabricado em uma variedade de tamanhos para acomodar a taxa de fluxo máxima do gás de exaustão através do mesmo em cada aplicação em motor. Uma filtragem ótima utilizando um meio de fibra de metal sinterizado é alcançada quando se mantém uma velocidade de face, ou uma velocidade de fluxo média normal para a superfície do meio de 11,0 até 13,5 cm/s. A taxa volumétrica máxima da exaustão em uma aplicação em motor, dividida pela velocidade de face ótima, estabelece a área de superfície total requerida pela área do meio de filtragem. Esta área total pode ser dividida entre múltiplos cartuchos 300 para manter uma área gerenciável do meio de filtragem por cartucho. As dimensões dos cartuchos cilíndricos exemplificativos 300 variam em termos de diâmetro interno de 5 cm até 20 cm, do diâmetro externo de 10 cm até 40 cm, e da altura de 6 a 12 cm.

[0035] A malha 400 pode ter vários comprimentos e larguras para alcançar a área de meio de filtragem requerida por cartucho e ao mesmo tempo manter as propriedades elétricas desejadas. As propriedades elétricas da malha 400 são limitadas pela necessidade de dissipar uma energia específica por unidade de área, por exemplo, 1 watt por centímetro quadrado de meio, em uma tensão especifica aplicada. A tensão aplicada é ditada peal tensão disponível em cada aplicação em motor. 12 volts e 24 volts, por exemplo, estão disponíveis em motores com alternadores, ao passo que tensões que ultrapassem 100 volts estão disponíveis em conjuntos de geradores estacionários. As tiras de malha exemplificativas 400 variam em comprimento de 100 cm a 1 m e na largura de 5cm a 12 com. A uma tensão de 72V aplicada, uma malha adequada 400 possui um comprimento de 560 cm e uma largura de 7 cm.

[0036] As dimensões da malha 400, juntamente com a resistividade intrínseca do material da malha, determinam o valor de resistência da malha 400, medida entra as abas 340. As dimensões da malha e o valor da resistência resultante são escolhidos de forma que a energia elétrica dissipada pela malha 400 seja maximizada, submetida as limitações da tensão disponível e da área de filtragem requerida. Para uma tensão fixa, dissipação da energia reduz, quando a área de filtragem aumenta, com o aumento do comprimento total da malha 400. Um valor intermediário do comprimento total maximiza a dissipação da energia e ao mesmo tempo provê a área de filtragem requerida para uma aplicação específica em motor. Um modo de realização da malha 400, operando em uma tensão aplicada de 100V, dissipa 5900W com uma resistência ótima de 1,7 ohms.

[0037] Com relação à Fig. 4A, as abas 340 estendem-se através do bloco de isolamento externo 450 nesta construção exemplificativa do cartucho. Em um exemplo de cartucho, cada aba 340 se dobre sobre e aprisiona uma extremidade da tira da malha 420, formando uma conexão pregueada 470 entre a aba 340 e a tira 420. A conexão pregueada 470 pode ser imprensada entre o bloco de isolamento interno 455 e o bloco de isolamento externo 450 e imobilizada pelos parafusos de aperto 465.

[0038] A tira 420 é eletricamente isolada de todos os outros componentes condutivos no cartucho, incluindo a parede externa do cartucho 315 e a placa do fundo do cartucho 330, mostradas. O isolamento pode ser realizado por uma combinação de blocos de isolamento 450 e 455, uma proteção de isolamento 460, cimento de isolamento de altas temperaturas 475, e vãos de ar 480 entre as tiras 429 e os condutores vizinhos. O vão de ar e a espessura do cimento mínimos são determinados pela tensão aplicada na tira 420 e o campo elétrico máximo que o ar e o cimento podem suportar sem um colapso dielétrico. O colapso ao ar ou do cimento dielétrico pode levar a uma centelha de descarga. No exemplo mostrado, a espessura mínima do cimento e do vão de ar é de 2mm para operação com uma tensão aplicada de 1kilovolt.

[0039] Com relação à Fig. 5, o fluxo da eletricidade através da malha 400 pode ser controlado por um circuito de controle 510 compreendendo pelo menos um comutador 520 conectado em série entre uma fonte de energia externa 500 e as abas 340, em um circuito elétrico compreendendo a malha 400, o regulador de energia 515 e um comutador 520. O comutador 520 pode ser um comutador manual, um relé eletromecânico ou um relé em estado sólido. Neste exemplo, o comutador 520 é um relé eletromecânico em estado sólido, controlado por um módulo de controle do microprocessador 530 conectado com ele por um cabo de sinal 540. Ao se controlar a operação do comutador 520, o módulo de controle do microprocessador 530 modula as saídas da energia elétrica 560 da fonte de energia elétrica 510. Em outros modos de realização, o circuito de controle 510 conduz e controla o fluxo da energia elétrica a partir da fonte de energia elétrica externa 500 para uma pluralidade de abas condutoras 340 em uma pluralidade de cartuchos 300.

[0040] A fonte de energia elétrica externa 500 pode prover eletricidade em uma variedade de formatos, incluindo, mas não limitados a corrente alternada de 600 volts trifásica, corrente alternada de 400 volts trifásica, corrente alternada de 208 volts trifásica, corrente alternada de 240 volts bifásica, e corrente alterna de 115 volts de fase única. Corrente alternada da fonte elétrica externa 500 pode ser rebaixada, retificada e condicionada por um transformador/retificador/regulador S15 opcional. Detalhes deste transformador/retificador/regulador S15 são tão bem conhecidos na técnica que prescindem de explicações detalhadas. A saída 560 do suprimento de energia elétrica 510 pode ser de corrente alternada ou contínua e pode ser conectada à malha 400 de um cartucho 300.

[0041] Em um sistema de banco de carga exemplificativo, a fonte de energia elétrica 500 é o gerador de um sistema de energia elétrica que pé insuficientemente carregado ou o motor elétrico de propulsão de um veículo que esteja freando. Em qualquer aplicação, a carga resistiva da malha 400 dissipa com segurança a saída elétrica da fonte de energia elétrica externa 500.

[0042] Em algumas versões da presente invenção, o módulo de controle de microprocessador 530 recebe sinais 590 que codificam a pressão absoluta do gás de exaustão 135 medida por dois transdutores de pressão 580, um a montante e outro a jusante do alojamento 595 de filtro/aquecedor/carga elétrica/silenciador. Destes dois sinais, o microprocessador computa a pressão diferencial através do alojamento 595. Em outras versões, o microprocessador 530 recebe um sinal de pressão diferencial diretamente de um transdutor de pressão diferencial, tal como o transdutor série P604 fabricado por CST-Kavlico, que detecta pressão de exaustão em locais a montante e a jusante do alojamento. A pressão diferencial computada ou transmitida para o microprocessador 530 é a contrapressão de motor causada pela malha 400 e outros componentes no alojamento 595, todos quais restringem o fluxo de gás de exaustão 135.

[0043] A contrapressão de motor se correlaciona à quantidade de fuligem capturada por área unitária de malha 400. Em algumas versões da invenção, contrapressão tem sido observada como aumentando, aproximadamente, em 34mbar para cada grama adicional de fuligem capturada por metro quadrado de malha 400. O módulo de microprocessador 530 incorpora firmware para operar com valores numéricos de contrapressão de motor, e computar a partir da contrapressão de motor os intervalos nos quais o suprimento de energia elétrica faz com que a corrente elétrica flua através de um ou mais cartuchos 300, de modo que a malha 400 seja aquecida. Durante os intervalos de aquecimento, fluxo de exaustão através do cartucho pode ser restrito e a fuligem capturada oxidada, como descrito na patente US 6.572.682, cujo teor é aqui incorporado pela referência.

[0044] Em algumas versões da presente invenção, o módulo de controle do microprocessador 530 recebe sinais 590 que codificam a temperatura do gás de exaustão medida por um transdutor de temperatura 570, tal como um termopar tipo K, a jusante do alojamento 595 de filtro/aquecedor/carga elétrica/silenciador. O módulo de microprocessador 530 incorpora firmware para operar com valores numéricos de temperatura de exaustão, e computar a partir da temperatura de exaustão os intervalos nos quais o suprimento de energia elétrica faz com que a corrente elétrica flua através de um ou mais cartuchos 300, de modo que a energia dissipada no gás de exaustão 135 aqueça o gás de exaustão até a temperatura ótima para a operação do dispositivo de tratamento de exaustão de jusante auxiliar 130 localizado a jusante. Por exemplo, o dispositivo de tratamento de exaustão 130 pode ser um sistema de Redução Catalítica Seletiva (SCR) que remove NOx do gás de exaustão 135.

[0045] Com referência à figura 6, um número de cartuchos 300 pode ser fisicamente combinado em um empilhamento exemplificativo 600. Cada cartucho 300 é assentado contra o cartucho adjacente na direção axial por uma gaxeta anular 620, que pode ser formada de fibras de cimento ou sílica resistentes a alta temperatura. O efeito das gaxetas anulares 620 é impedir que gás de exaustão flua entre o interior do empilhamento e o exterior do empilhamento por outro percurso que não através dos cartuchos 300. Os três empilhamentos 600 são envoltos por um alojamento metálico 650, mostrado recortado parcialmente, que cria uma câmara 660 limitada pela superfície externa cilíndrica dos empilhamentos 600 e a superfície interna do alojamento 650. Neste exemplo, gás de exaustão flui para a câmara 660, através dos cartuchos 300, e para fora do interior do empilhamento através de orifícios de saída 670.

[0046] Quatro dos cinco cartuchos 300 nos empilhamentos exemplificativos 600 são eletricamente conectados em um circuito em série. Nesta versão da invenção, tiras condutoras 630 feitas de um material resistente á corrosão e alta temperatura, como níquel, são usadas para completar o circuito através dos cartuchos 300. Outras versões da invenção podem usar cabo com isolamento de fibra de vidro ou mica para conectar eletricamente múltiplos cartuchos 300 em um circuito. Alternativamente os cartuchos 300 podem ser conectados em um circuito paralelo ou uma combinação de circuitos em série e paralelo. O número de cartuchos 300 que são eletricamente conectados em cada empilhamento 600 pode variar entre os empilhamentos 600. Cartuchos 650 que não eletricamente conectados trabalham individualmente como filtros, não como aquecedores, mas os empilhamentos 600 como um todo dissipa de qualquer modo a energia elétrica no gás de exaustão. Conexões elétricas às abas 340 são levadas para fora do alojamento 650 através de aberturas transpassantes de alimentação 680 feitas de um material isolante, como cerâmica.

[0047] Com referência às figuras 7 e 8, diversos cartuchos individuais 300 em um empilhamento exemplificativo 600 podem ser representados como elementos de circuito resistivo individuais 710 em um circuito em série exemplificativo 700. Se as resistências dos elementos 710 forem r1, r2,...,r10, então a resistência total da combinação em série é r1+r2+...+r10. Um cartucho pode ser projetado para obter um valor de resistência individual entre 0,15ohm e 1,5ohm. Como na figura 8, um circuito em série 700 pode ser energizado com corrente alternada ou contínua. O circuito em série 700 pode ser combinado com dois outros circuitos em série 700 em uma configuração em Y exemplificativa 720, como na figura 9, ou uma configuração delta exemplificativa 730, como na figura 10. Cada perna 740 do Y 720 ou delta 730 pode ser conectada a uma saída de fase separada de um sistema elétrico trifásico. Cada fase pode ser independentemente comutada pelo uso dos comutadores 520, mas estes podem ser agrupados para comutar todas as três fases de uma vez.

[0048] Com referência à figura 11, dois ou mais empilhamentos de filtro 600 podem ser combinados mecanicamente em um módulo de filtro exemplificativo 800. No módulo 800, os empilhamentos 600 compartilhariam uma estrutura de suporte, mas permaneceriam eletricamente independentes. Algumas versões da invenção compreendem qualquer número de módulos 800, cada um dos quais sendo separadamente removível do sistema, Cabos de alta temperatura 810 suprem separadamente energia elétrica a cada empilhamento 600 a partir da eletrônica de controle de módulo 820.

[0049] Para evitar excessivo aquecimento localizado e equalizar o uso dos empilhamentos 600, é vantajoso que apenas um empilhamento 600 em cada módulo 800 seja energizado de cada vez. A eletrônica de controle de módulo 820 incorpora um circuito eletrônico, bem conhecido na técnica anterior que permite apenas um ou outro, mas não ambos os cabos 810 portar corrente elétrica para um empilhamento 600 a partir da saída elétrica 560 do suprimento de energia elétrica 510. O controle digital opcional 830 pode prover uma interface serial ou paralela à eletrônica de controle de módulo 820 que seleciona um dos empilhamentos 600, em cujo caso a eletrônica de controle de módulo 820 serve como um dispositivo de backup para limitar o número de empilhamentos 600 energizado de uma vez. Em outros modos de realização, a eletrônica de controle de módulo 820 comuta energia entre os empilhamentos 600 sempre que a saída elétrica 560 for energizada. Em outros modos de realização, a eletrônica de controle de módulo 820 é incorporada diretamente no suprimento de energia elétrica 510, onde executa sua função prevista.

[0050] A atenção do leitor é direcionada a todos os trabalhos e documentos depositados concomitantemente ou previamente a este relatório em conexão com este pedido e que estão abertos à inspeção pública com este relatório, e os conteúdos de todos estes trabalhos e documentos são aqui incorporados pela referência.

[0051] Deve ser apreciado por alguém experiente na técnica que várias mudanças e modificações podem ser feitas aos modos de realização ilustrados sem se afastar do espírito e escopo da presente invenção. Todas essas modificações e mudanças são previstas ser abrangidas pelas reivindicações anexas.

Claims (11)

1.Aparelho para dissipar energia para o gás de exaustão (135) de um motor de combustão interna (100), caracterizado pelo fato de compreender: um alojamento (650) para confinar um percurso de fluxo para gás de exaustão (135) do dito motor de combustão interna (100), o alojamento (650) possuindo uma entrada e uma saída (670), de forma que o gás de exaustão (135) flua da entrada para a saída (670); um alojamento de cartucho (300) formado por duas placas de extremidade anulares (330), uma parede externa cilíndrica perfurada (315) e uma parede interna cilíndrica perfurada (325); uma malha porosa eletricamente condutora colocada no dito alojamento de cartucho (300), de forma que o gás de exaustão (135) flua dentro através das perfurações na parede externa cilíndrica (315), através da malha condutora (400) e fora através das perfurações na parede interna cilíndrica (325), a dita malha condutora (400) aprisionando a matéria particulada carregada pelo gás de exaustão (135); pelo menos dois terminais elétricos (420) que estão em contato elétrico com a malha condutora (400); e uma fonte de suprimento de energia elétrica (510) para completar um ou mais circuitos elétricos através da malha condutora (400), a fonte de suprimento de energia (510) possuindo duas ou mais saídas elétricas (560) eletricamente conectadas a um número igual de terminais elétricos (420) na malha condutora (400), pelo que uma pluralidade de alojamentos de cartucho (300) são dispostos dentro do alojamento (650), cada um dos cartuchos (300) contendo uma seção de malha eletricamente condutora (400); meios para isolar eletricamente cada seção de malha condutora (400) do alojamento de cartucho (300) que circunda aquela seção; duas abas condutoras (340) fixadas a cada alojamento de cartucho (300), cada aba (340) fazendo contato elétrico com um terminal elétrico (420) na malha condutora (400); e meios para isolar eletricamente cada aba condutora de seu respectivo alojamento de cartucho (300).

2.Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que: a malha eletricamente condutora (400) compreende um tecido de fibra metálica sinterizado tendo alta porosidade, alta capacidade de retenção de fuligem e baixa massa térmica, e que resiste à corrosão a altas temperaturas; o tecido de fibra metálica sinterizado compreendendo uma pluralidade de camadas, cada camada contendo fibras de um diâmetro diferente, de modo que o tecido aprisiona e remove matéria particulada do gás de exaustão que flui através do tecido; e cada seção de tecido de fibra metálica sinterizado possuindo um valor de resistência, medido entre as duas abas condutoras (340) em contato elétrico com aquela seção, que faz com que a energia elétrica máxima seja dissipada naquela seção, dentro de quaisquer limitações de corrente elétrica e tensão das saídas de fonte de suprimento de energia elétrica

3.Aparelho, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente uma pluralidade de combinações de cartuchos em série formadas por conexão elétrica das abas condutoras (340) de grupos de dois ou mais cartuchos (300), deixando duas abas condutoras (340) em cada combinação de cartuchos em série desconectadas, de modo que a eletricidade flua em série através de toda seção de tecido de fibra metálica sinterizado em cada combinação de cartuchos em série quando uma tensão é aplicada entre duas abas desconectadas (340) daquela combinação; e meios para fazer as conexões elétricas entre as abas condutoras (340) dos cartuchos (300) em cada combinação de cartuchos em série.

4.Aparelho, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que o tecido de fibra metálica sinterizado é revestido com um catalisador para reduzir a temperatura na qual qualquer fuligem aprisionada pelo tecido é oxidada.

5.Aparelho, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que: cada uma de pelos menos três combinações de cartuchos em série é eletricamente conectada a duas outras combinações de cartuchos em série, de forma que cada conjunto eletricamente conectado de três combinações de cartuchos em série forma um circuito em forma de Y; e as saídas elétricas da fonte de suprimento de energia (510) compreendem saídas de corrente alternada trifásica.

6.Aparelho, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que o tecido de fibra metálica sinterizado é revestido com um catalisador que realiza redução catalítica seletiva de óxidos de nitrogênio no gás de exaustão.

7.Aparelho, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que a fonte de suprimento de energia elétrica (510) compreende: um circuito de controle (510) que conduz e controla o fluxo de energia elétrica de uma fonte de energia externa (500) até a pluralidade de abas condutoras (340), o circuito de controle (510) incluindo um ou mais comutadores (520), de forma que cada comutador possa interromper o fluxo de eletricidade da fonte de energia externa (500) para uma ou mais das combinações de cartuchos em série ; e um módulo de controle de microprocessador (530) que é eletricamente conectado à fonte de suprimento de energia elétrica (510), de forma que o módulo de controle de microprocessador (530) controle a operação dos comutadores (520), dessa forma, modulando as saídas de fonte de suprimento de energia elétrica conectadas às abas condutoras.

8.Aparelho, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que o módulo de controle de microprocessador (530) compreende firmware para operar sobre valores numéricos de temperatura de exaustão, e computar a partir da temperatura de exaustão os intervalos nos quais a fonte de suprimento de energia elétrica (510) faz com que corrente elétrica flua através de uma ou mais combinações de cartuchos em série, de forma que a energia dissipada para dentro do gás de exaustão (135) aqueça o gás de exaustão (135) até a temperatura ótima para a operação de um componente de redução de emissões (130) através do qual o gás de exaustão (135) flui.

9.Processo para dissipar energia para o gás de exaustão de um motor de combustão interna usando o aparelho como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo fato de que compreende as etapas de: acionar um gerador (145, 500) com a saída mecânica do motor de combustão interna (100); conduzir a saída elétrica do gerador (145, 500) para os terminais elétricos (420) da malha condutora (400); aquecer eletricamente a malha condutora (400); controlar o potencial elétrico através dos terminais elétricos (420), variando, desta forma, o fluxo de eletricidade através da malha condutora (400); e dissipar uma quantidade selecionável de energia na malha condutora (400).

10.Processo, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que o gerador (145, 500) é um motor elétrico de propulsão em um veículo diesel- elétrico, de forma que o motor elétrico gere eletricidade quando o veículo está freando ou sob nenhuma carga.

11.Processo, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que compreende ainda a etapa de: selecionar a quantidade de energia dissipada em um tecido de fibra metálica sinterizado, de forma que a quantidade selecionada de energia aqueça o gás de exaustão (135) até a temperatura ótima para a operação de um componente de redução de emissões (130) através do qual o gás de exaustão (135) flui.

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